（材料加工工程专业论文）高强度硼钢板热冲压成形过程及数值模拟研究.pdf

摘要 摘要 先进高强度钢板在汽车制造领域的应用是有效地实现汽车轻量化和提高整 车被动安全性的有效途征之一。热冲压成形是一种专门用于制造复杂形状的先 进高强度钢零件的新技术，且零件的回弹很小。此技术的工艺过程是先将板料 的温度升至再结晶温度以上某一温度值，然后将加热后的板料移至模具上，成 形和淬火处理同时进行，得到了拥有高强度的零部件的成形工艺。此过程是一 个涉及到了模具与板料的传热、成形以及板料微观组织的转变，故对工艺参数 对板料的流变行为的影响规律进行探讨，对热冲压零件的成形过程进行分析， 从而制定热冲压成形的工艺，对热冲压成形技术的理论和实际应用具有重要指 导意义。 本文以先进高强度硼钢板m n 2 2 8 5 作为研究对象，采用了实验研究、理论 分析以及数值模拟相结合的方法，在对高强度硼钢板热冲压成形工艺进行了分 析的基础上，制定了物理热模拟实验方案，即板料处于完全奥氏体化后，再将 板料的温度降至不同的温度，以不同的应变速率对板料进行等温单向拉伸实验， 得到了在不同的条件下，材料的真实应力应变曲线，并在此基础上对变形温度 与变形速率对板料的流变行为的影响及规律性进行了分析。在实验结果的基础 上，建立了高强度硼钢板的热冲压流变应力数学模型。 以汽车防撞梁的典型特征件u 形件作为研究对象，在分析了成形时的受力 和高强度硼钢板热冲压成形的流变应力数学模型基础上，建立了与材料性能参 数、工艺参数以及几何参数有关的热冲压u 形件侧壁的最大应变解析模型。 采用有限元数值模拟技术，对高强度硼钢板u 形件的热冲压成形过程进行 了数值模拟，在有限元软件a b a q u s 上建立了热成形件的热冲压成形过程的模 型。数值模拟主要对压边力和模具间隙在热冲压成形过程中的对成形的零件质 量的影响进行了探讨。从数值模拟的结果来看，本文所建立的有限元模型在对 模拟热冲压成形过程是很有效的。在压边力较大时，零件的回弹较小，有利于 改善法兰与模具的接触作用，同时可以避免成形零件发生开裂现象。模具间隙 对侧壁上的温度分布有较大的影响，模具间隙越大，成形件侧壁的温度就越高。 关键词：高强度钢板；热冲压；数值模拟；回弹。 a b s t r a c t a b s t r a c t a p p l i c a t i o no fa d v a n c e dh i g hs t r e n g t hs t e e li nt h ea u t o m o t i v em a n u f a c t u r i n g f i e l di sa l le f f e c t i v ev e h i c l et oa c h i e v el i g h tw e i g h ta n di m p r o v ev e h i c l ep a s s i v e s a f e t y h o ts t a m p i n gi saa d v a n c e dn e wt e c h n o l o g y 、) l ，i t l ls p e c i a l i z e dm a n u f a c t u r ef o r c o m p l e xs h a p e so fh i g l l - s t r e n g t hs t e e lc o m p o n e n t s ，a n dav e r ys m a l lb a c ks p r i n g p r o c e s so ft h i st e c h n o l o g yi ss h e e to ft h et e m p e r a t u r er o s et oat e m p e r a t u r ea b o v et h e r e c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r e ，a n dt h e nm o v e dt h eh e a t e ds h e e tt ot h em o l d ，f o r m i n g a n dq u e n c h i n g ，a n dg e tt h ep a r t s 埘ml l i g hs t r e n g t h t h i sp r o c e s si sr e l a t e dt ot h e m o l da n dt h es h e e tm e t a lh e a tt r a n s f e r , s h e e tm e t a lf o r m i n ga n dm i c r o s t r u c t u r e c h a n g e ，s ot h ep r o c e s sp a r a m e t e r so nt h er h e o l o g i c a lb e h a v i o ro fs h e e td i s c u s s e st h e i m p a c to fl a w , f o r m i n gp a r to ft h eh o ts t a m p i n gp r o c e s so fa n a l y s i s ，t od e v e l o ph o t s t a m p i n gp r o c e s s h o ts t a m p i n gt e c h n o l o g yt h a tw i l lb e t t e ra p p l i e dt ot h e a c t u a l p r o d u c t i o ni sg r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r ，h i 曲- s t r e n g t hb o r o ns t e e lm n 2 2 8 5a d v a n c e di st h er e s e a r c ho b j e c t u s i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e t h o do fc o m b i n i n g ，h i g h - s t r e n g t hb o r o ns t e e li n t h eh o ts t a m p i n gp r o c e s si s a n a l y z e db a s e do nt h ep h y s i c a ld e v e l o p m e n to ft h e r m a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t p r o g r a m ，t h es h e e ti sf u l l ya u s t e n i t i z e d ，t h e nt h et e m p e r a t u r ed r o p p e dt od i f f e r e n t t e m p e r a t u r e ，d i f f e r e n ts t r a i nr a t eo n t h ei s o t h e r m a ls h e e tt e n s i l et e s to b t a i n e dt h et r u e s t r e s s - s t r a i nc u r v e s b a s e do nt h i sc u r v e s ，d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n ds t r a i nr a t eo n t h er h e o l o g i c a lb e h a v i o ro fs h e e tm e t a la n dt h er e g u l a r i t ya r ea n a l y z e d b a s e do nt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，f l o ws t r e s sm o d e lo fh i g h s t r e n g t hb o r o n s t e e li nh o ts t a m p i n gi s e s t a b l i s h e d t h eh i g hs t r e n g t hb o r o ns t e e lus h a p e dp i e c eo fh o ts t a m p i n gp r o c e s sw a s s i m u l a t e db yf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n b a s e do ne x p l i c i ta b a q u s s o f t w a r ee n v i r o n m e n t , s e v e r a lk e yi s s u e s ，s u c ha ss h e e tm e t a lc o n t a c tb e t w e e nt h e t r e a t m e n ta n dd i e ，d e t e r m i n a t i o no fm a t e r i a lp r o p e r t i e sa n dm e s hd i v i s i o no ff i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ea b a q u st oe s t a b l i s ht h eh e a to fh o tf o r m i n gp a r t sf o r m i n gp r o c e s s m o d e l k e yw o r d s ：a d v a n c e dh i 曲s t r e n g t hs t e e l ，h o t - s t a m p i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , b a c k s p n n g i l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 汽车工业是国家的支柱产业，对技术进步、国民经济发展和社会现代化的 影响具有重要的不可替代的地位。进入二十一世纪后，中国汽车工业增长速度 越来越快，总产量从2 0 0 0 年的一百万辆增至2 0 0 2 年的三百万辆，年均增幅达 到6 6 。2 0 0 9 年，我国就已经成为了世界上第一大汽车消费国了，在2 0 0 9 年中 国汽车产销分别完成1 3 7 9 1 0 万辆和1 3 6 4 4 8 万辆，同比分别增长了4 8 和4 6 。 2 0 1 0 年汽车产销量已经突破了1 8 0 0 万辆，由此可知汽车工业已经成为国民经济 发展中增长最快、最有活力的行业之一【1 3 】。 汽车工业发展的同时，虽然给人们的出行带来了便捷，但也产生了污染气 体和噪声。由此带来的环境和能源问题被各国政府和广大民众所重视。严重的 能源危机迫使人们对汽车提出了更高的要求即环保、安全、舒适，为了提高市 场竞争力，汽车制造企业都把汽车车身的设计和制造水平看作关键要素。汽车 轻量化成为解决这一问题的关键技术。相关研究表明：汽车自身总重量每减少 l o o k g ，耗油量减少0 7 l k i n ，图1 1 为车重与燃料效率的关系1 4 1 。 石u uh u u1uuu1 z u u1 4 u u1 5 口u1 h u d 车重( k g ) 图1 1车重与定速燃料效率的关系 由上图可知，汽车自身重量的减少能够明显降低燃料消耗5 ，6 。 汽车的耗油量由汽车自身总重量和发动机的排量所决定，在确保汽车整体 性能、造价和品质不变的前提下，减轻汽车自身重量是降低噪声、提高输出功 烈 鲤 加 伸 侣 住 伯 日 一1i叫一哥榛最餐艘似lil蔓。 第1 章绪论 率、提升可靠性、操纵性的主要途征，汽车轻量化的目标是减少油耗、提高安 全性、提高车速降低废气排放量。汽车轻量化技术已经成为汽车工业发展中的 重要研究课题之一。 根据各大汽车制造企业来看，主要从几方面来实现汽车轻量化：一是从制 造工艺上着手；二是从汽车框架和结构上着手，优化重要的零部的结构，整车 的结构设计进行优化，具体方法有很多，如为了减少车身骨架、发动机和车身 钢板的重量，可以使用前轮驱动和超轻悬架结构。 从现实情况来看，越来越多的汽车制造企业使用轻质材料来实现汽车轻量 化的目标。轻质材料主要有铝合金、高强度钢和超高强度钢【8 j 。由于铁的密度是 铝的将近三倍，由铝合金制造的汽车零部件来替代钢铁的零部件，汽车自身重 量可以减少3 0 0 0 - - 4 0 1 9 。有研究显示，在保持成本不变的前提下，如果制造车 身的钢板有8 0 是超高强度钢板，汽车车身的重量是原来的8 0 1 0 , 1 1 j 。当然， 超高强度钢板的屈服强度越高轻量化效果越明显，超高强度钢的屈服强度达到 1 0 0 0 m p a ，零件重量可以减轻一半以上，而且增强了抗疲劳、抗碰撞性能。由此 可知，对于汽车轻量化而言，高强度钢板有着普通钢板无法比拟的优点。 在用热冲压成形对板料加工时，对板料进行了加热，此时板料的变形抗力 有很大的减小，塑性更好，故所需要的加工的设备吨位下降且投资减小。经过 热冲压成形后的零件的强度较大，故在保证车身的机械性能的要求的条件下就 可以降低零件的厚度，车身的自重就随之下降了；由于高强度的零件能够吸收 较多的能量，这样就改善了汽车的碰撞安全性。在热冲压成形工艺中，成形件 的成形与保压在同一模具同时进行的，这样做能够保证零件成形后的回弹量很 少甚至没有回弹，同时零件的尺寸精度得到了很大的改善【1 2 j 。 在如今汽车行业越来越激烈的现状下，产品的质量和产品的设计以及生产 周期是两个很重要的因素。产品的高性能和短的生命周期是快速变化的汽车市 场所要求的。数值模拟技术在缩短产品的生命周期发挥重要的作用。在数值模 拟时，需要较为合理的数值模型以及合适的算法，就能够对金属成形过程进行 模拟，像在不同时刻零件的应力场以及温度场的模拟结果的准确性很高。还能 够预测成形后的零件是否会起皱、开裂以及厚度的变化情况。同时能够得到工 艺参数与成形件质量的影响关系，依据这些关系可以对工艺参数的选择进行有 效的优化。 2 第1 章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 高强度钢板及其应用 依据机械性能一抗拉强度来分，汽车用钢板可以被分为如下三类：( 1 ) 低 强度钢( l s s ) ： 7 0 0 m p a 。 热冲压成形用的硼钢板经过轧制之后，屈服强度位于2 8 0 , - - - 4 0 0 m p a ，抗拉 强度仃。 4 5 0m p a ，其微观组织是铁索体和珠光体；温度较高时，其延伸率大大 改善，强度下降明显；经过淬火后，其微观组织是马氏体，屈服强度升高到了 1 2 0 0 m p a ，抗拉强度增加到了1 5 0 0 m p a t l 3 】。 瑞典s s a b 公司1 1 4 】以及开发出了热轧硼钢板d o c o lb o m e x0 2 d o m e x0 2 4 b 与d o c o lb o r o n0 4 d o m e x0 4 4 b ，化学成分构成如表1 1 所示，材 料淬火前后的性能参数如表1 2 所示。 表1 1 b o r o n0 4 化学成分 像新同铁公司、沃尔沃( v o l v o ) 、保时捷、本特勒等一些著名的公司及汽 车企业都在从事热冲压成形硼钢的研究工作。 1 2 2 热成形技术及其研究现状 热冲压成形工艺是在金属板料的温度较高的状态时，此时板料的塑性有了 很大的改善以及延展性较快增加了，并且板料的屈服强度有了很快的减小，再 利用模具将板料成形为所需要的成形件的工艺。在热冲压成形过程中，需要将 板料的温度升高到再结晶温度以上一个合适的温度，就钢铁板料而言，以板料 3 第1 章绪论 达到奥氏体状态的温度为准，此时板料的流变应力减小、塑性增强了，成形零 件的回弹量减小，成形时所需要的设备的吨位也随之减小了。在进行成形的同 时成形件的快速淬火也在进行中，所获得的成形件的强度有了大幅度的提高。 目前，热冲压成形工艺主要应用于汽车零件的制造中，由于汽车制造企业需要 制造大量形状复杂、强度高、舒适性以及安全性高的零件，这些要求热冲压成 形工艺完全能够满足。汽车车身的a 柱加强板、b 柱加强板、前后保险杠、地 板中通道、前后门左右防撞梁等是通过热冲压成形工艺成形的典型的零件，如 图1 3 所示l d j 。 、 “ 。、! 。 1 车门侧扳：2 保险杠；3 车身纵梁、横梁；4a 柱、b 柱：5 车i - j , n 强板 图1 3 高强度钢板在车身上的应用 由于在热冲压成形过程中，板料的温度是在再结晶温度之上的，故属于塑 性成形工艺中的热加工。 1 9 9 4 年，国际钢铁协会提出了一个由3 5 家公司参与的全球合作的名为“超 轻钢车身”项目。由于在该项目的推动下，先进高强度钢在汽车车身板上的应 用迅速增加。然而，先进高强度钢的成形性差和有回弹的倾向对先进高强度钢 进一步在汽车行业的应用提出了挑战。许多研究人员将研究重点放在了室温下 先进高强度钢的成形性上【16 】；例如，在文献【17 】中，作者对高强度板在卷曲时的 低应变变形特性和弯曲拉伸试验的回弹的影响进行了研究，同时对屈服的影响 和在卷曲时的加工硬化以及回弹做了校验和解析。在文献【1 8 】中，作者通过数值 模拟方法对在室温下先进高强度钢板成形后的回弹进行了预测。为了准确地模 拟先进高强度钢板的成形性，采用可靠的实验基准来确定板料的基本变形行为 【1 9 】。然而，有回弹的倾向和差的成形性是先进高强度钢板在室温成形的主要问 4 第1 章绪论 题。为了提高零件的成形性和拓宽先进高强度钢的应用范围，像热冲压成形技 术这样的新的成形技术问世了。 热冲压成形技术是一个非等温过程，板料的成形和淬火在同一个工序中同 时进行。在热冲压成形过程中先进高强度钢板的成形性有了大幅的提高，变形 抗力有了大幅的降低和回弹量也大幅减小，并且提高了先进高强度钢板在高温 下的伸长率【2 0 1 。图1 4 示意图说明了热冲压成形的加工过程。热冲压成形过程中 在初始的奥氏体组织转变为马氏体微观结构之后，热冲压成形零件的拉伸强度 有了急剧增加。用适合于多晶高强度低碳钢的弹性和粘塑性晶体塑性模型能够 影响冲压零件的形状精度的回弹进行了预测【2 l 】。 躲甏够。 麟莰簿灾 潞箨 图1 4 高强度硼钢u 形件的热冲压成形工艺过程 文献吲确定了成形温度对回弹的影响，适合的成形温度是大于7 5 0 c 。在温 成形下的热冲压成形后的回弹机理已经研究了，确定了影响回弹量的主要因素 2 3 j 。为了确定在高温下板料的力学性能和微观组织特征，提出了一种新颖的基 于n a k a z i m a 学说阻】的用来评估高温下材料的成形性的测试方法【2 5 1 。 热冲压成形是一个复杂的过程，涉及到了材料的非线性、几何非线性、接 触非线性以及受不同温度下的热力学参数的影响。因此，只是通过分析法和实 验法很难准确有效的解决在实际的热冲压成形中遇到的问题。而功能强大的数 值模拟技术能够用来研究热冲压成形中的工艺，并可以对工艺参数进行有效的 优化。 在2 0 0 2 年，瑞典的l u l e 理工大学通过热模拟试验机对高强度硼钢的高温压 缩试验与热膨胀测量，得到了有关高强度硼钢的力学性能与热力学性能参数， 并以这些力学性能与热力学数据为基础，采用反向建模法，建立起了高强度硼 钢的力学模型；并在高强度硼钢的力学模型基础上，对材料经过连续冷却过程 5 第1 章绪论 中的圆柱压缩进行了数值模拟，同时在有限元分析软件中加入了有关奥氏体分 解的模型，用以模拟冷却时的奥氏体分解获得的组织；并对高强度硼钢的热冲 压成形过程中的成形力、板料的厚度的变化以及硬度的分布等进行了分析【z 6 2 刿。 研究表明，在对板料成形淬火时，由于板料的内部微观组织的不同，力学性能 也有很大的不同；在温度高低不一的情况下，应变率对流变应力有不同的影响。 德国n u r e m b e r g 大学也在从事本国的研究基金d f g 项目，此项目是研究有 关淬火钢板在热冲压成形过程中的成形原理【3 0 】。此大学在2 0 0 5 年从事了有关热 冲压成形的基础研究，采用试验法，获得了高强度硼钢奥氏体化的温度以及所 需要的保温时间。一年后，通过g l e e b l e l 5 0 0 热模拟试验机，在对板料的等温拉 伸试验，研究高强度硼钢的流动性能。研究表明，温度对板料的流变行为有很 大的影响，温度升高，流变应力下降，加工硬化的作用减少，应变速率对板料 的流变应力也有较大的影响，应变速率越大，板料的流动应力越大，另外在板 料等温拉伸之前的冷却速率对板料的力学性能也有影响，而当板料处于奥氏体 状态时，板料的流动性能与材料的轧制方向无关。2 0 0 6 年意大利p a d u a 大学l j l j 通过使用热膨胀计对高强度硼钢在连续冷却组织转变时的特征参数进行了测 试，得到了高强度硼高开始奥氏体化的最合适的温度是9 0 0 、保温时间为5 r a i n 和由奥氏体开始转变为马氏体的温度是3 8 2 c 。随后又通过g l e e b l e 3 8 0 0 热模拟 试验机，在非等温初始温度不同与应变速率不同的条件下，对高强度钢棚钢板 做连续冷却单向拉伸试验，对材料的流变行为进行了研究，结果表明，温度对 板料流变行为的影响最为显著，其次是应变率。在2 0 0 7 年，德国慕尼黑理工大 学将优化算法与数值模拟结合起来，对在高强度硼钢板热冲压成形所用到的模 具的冷却系统进行了设计。将冷却的强度和冷却的均匀性定为判定标准，并将 模具的内冷却通道的几何尺寸以及冷却孔的几何尺寸为变量，设计出了拥有冷 却速率较大以及温度分布很均匀的热冲压模具。通过对热冲压成形过程的数值 模拟，获得了模具的温度分布和高强度钢板的降温过程。 2 0 0 7 年伊朗阿拉克大学【3 2 】对有关热变形的条件如何影响马氏体转变进行了 研究，分析了变形的初始温、应变量以及应变速率对马氏体开始发生转变时的 温度和马氏体含量的影响。 最近几年同济大学对高强度硼钢板u s i b o r l 5 0 0 的热冲压成形做了较多 的研究。采用在常温以及高温进行单向拉伸试验，得到了有关高强度硼钢板 u s i b o r l 5 0 0 的基本力学性能参数1 3 副；对热冲压成形专用模具进行了设计，并 6 第1 章绪论 制造出了能够进行热冲压试验且带有冷却水循环系统的专用模具 3 4 , 3 5 】 1 2 3 热成形的数值模拟研究形状 最近一些年有关计算机分析软件技术有了非常快的发展，同时计算机硬件 技术的迅速发展减少了分析的时间消耗，有关金属塑性流动理论也得到了完善。 目前，计算机模拟技术能够对金属成形过程进行准确的模拟，并能够获得在成 形过程中所涉及到的各种场量的变化情况以及金属的流动情况，同时也可以确 定模具的应力、应变的变化情况以及较合理的尺寸形状，用以对成形件的成形 状况进行有效的预测。可以为更深入的了解金属成形以及工艺设计给予准确的 指导1 3 6 - 4 叭，同时也可以指导工艺设计的制定以及模具的设计等提供了参考。计 算机模拟技术可以对金属的工艺极限进行预测，可以避免由于金属流动所引起 的缺陷，故可以提高产品的质量1 4 1 4 2 1 。另外，通过数值模拟技术，金属加工的工 艺以及模具的试验次数明显较少，故新产品的设计以及开发周期就较少了，生 产成本随之下降。如今，热成形的数值模拟有了较快的发展【4 3 粕】。哈尔滨工业 大学的刘建生通过数值模拟的有限元中的热力耦合模块，模拟了曲轴的弯曲镦 锻过程，获得了曲轴成形过程中温度的变化情况【4 7 】。有关金属板料的成形的模 拟，主要是在模拟冷冲压成形方面【4 8 。”】，对有关板料的热冲压成形过程的数值 模拟的研究比较少。k e u m l 5 2 】采用三维有限元法对由铝合金材料a a 5 0 4 2 h 3 2 制 成的圆柱的拉伸过程进行了数值模拟，并在b a r l a t 屈服模型以及有实验获得的加 工硬化关系式基础上，对在冲压成形过程中的板料的厚度变化情况进行了准确 的预测。t a k u d a e 5 3 j 建立了二维对称的圆柱形的有限元模型，以此模型为基础， 同时材料模型选用的是刚塑性材料模型，对圆柱形拉伸过程的温度分布进行了 研究，结果表明，在预测板料极限拉伸比时温度分布预测的准确性和模具与工 件的传热特性的准确性起着极其重要的作用。h t a k u d a 等【5 4 】采用数值模拟计 算法，研究了a z 3 1 镁合金板料的成形极限情况，并准确地对a z 3 1 镁合金板料 的初始破裂位置以及临界成形力进行了预测。苌群峰等【5 5 】研究了a z 31 镁合金在 拉深成形过程中温度以及压边力对镁合金板料的极限拉伸比的影响情况，并且 对所得到的结果进行了实验验证。清华大学的胡中等人【5 6 】将弹塑性材料模型和 热- 力耦合法结合起来，采用a n s y s 有限元分析软件模拟了薄壁杯形件的热拉 深过程，获得了在热拉深过程中模具的应力、应变和温度的分布情况以及工件 的应力、应变和温度的分布情况；在此基础上，对薄壁杯形件的热拉深时可能 7 第l 章绪论 发生破裂的位置进行了预测，并且通过实验对预测结果进行了验证。在高强度 钢板的热冲压成形的数值模拟，只是对板料的温度场分布方面进行了数值模拟 5 7 1 。在对板料的微观组织的模拟上，通过已经导入了微观组织演变模型的有限 元程序中，进而进行微观模拟有一些研究【5 3 - ( , 0 1 。浙江大学的李萍【6 1 】采用计算机 对由新型的亚稳定1 3 型钦合金制成的试样的热锻粗变形以及经过固溶处理后的 显微组织演变进行了模拟，并进行了可视化显示。j l i n 等【6 2 】在对材料微观模 型进行总结的基础上，将微观模型导入到有限元法中，对板料在冲压以及轧制 过程中的材料微观组织的转变进行了模拟。m p i e t r a y k 6 3 】通过所建立的热机械 微观组织耦合的有限元模型的基础上，对热成形过程中材料的温度上升以及温 度下降时的温度场以及微观组织转变进行了模拟。 8 第2 章高强度硼钢板热冲压成形理论 第2 章高强度硼钢板热冲压成形理论 2 1 引言 高强度硼钢板热冲压成形是一个很复杂的过程，因为它将金属塑性变形， 工具与板料之间的热传递及淬火热处理集合于一体，涉及到了很多传统的热加 工理论。因此，需简要说明下有关金属热塑性变形和金属热冲压成形中的传热 理论，为下面章节的论述奠定基础。目前，尽管指导板料成形数值模拟的理论 基础已基本成熟，能直接影响冲压成形仿真结果的准确性的工艺参数( 压边力、 拉延筋、温度、摩擦系数等) 的选择。高强度硼钢板的热冲压成形技术是把热 成形工艺和淬火工艺放在同一个比较复杂的工序中完成的，能获得优异的成形 性能和强度很高的热冲压零部件，在制造和使用方面有着明显的优势。 2 2 金属的热塑性变形 2 2 1 金属的热塑性变形机理 金属的热塑性变形有两种：晶间变形和晶内变形。晶间变形的主要方式是 晶粒之间的移动和转动；晶内变形的主要方式是滑移和孪生陋】。 金属的滑移变形、孪生变形、晶界滑移和扩散蠕变变形机理在不同的条件 下，占塑性变形的比例不同和在塑性变形中所发挥的作用也不尽相同。在这些 变形机理中，最常见和重要的机理是晶内的滑移变形；孪生变形大都是在低温 或常温高速变形的条件下发生；只有在高温条件下晶界滑移和扩散蠕变才可能 发挥作用。金属材料的组织结构、变形温度会影响以上四种变形机理作用的发 挥。然而，在热变形过程中才发生的动态回复、动态再结晶和扩散修复机理直 接调节和控制着上述四种变形机理。 l 、晶内变形 在晶粒尺寸大于1 0 m 以上的条件下，晶内的滑移变形起着较为主要的作 用。金属处于高温条件下，原子的热振动不断加剧，原子的扩散速度也不断增 大，容易发生位错的滑移、攀移以及交滑移等；晶界对位错运动的阻碍作用下 降，位错进入晶界的可能性很大。与此同时，热变形过程中发生了动态回复或 9 第2 章高强度硼钢板热冲压成形理论 动态再结晶软化，故消除了加工硬化和应力集中，使塑性变形更容易进行。金 属的流动应力大大降低，一般单位应力每平方厘米只需要零点几到几千克。这 样有助于金属塑性成形和改善材料及制品的组织性能。因此，高性能的合金材 料大多都采用热加工来成形。 2 、晶界滑移 在高温下，金属晶界的强度小于晶内的强度，与低温相比较，晶界滑移更 容易发生，这个过程主要由动态回复和动态再结晶以及修复机制来控制。热塑 性变形过程时，金属的断裂一般都发生在晶界处。因为晶内滑移和晶界滑移时， 较大的应力会在晶界集中；高温时晶界强度较小，晶界滑移较容易在晶界处导 致裂缝产生，裂缝大都起源于形态像“w 形状的三叉晶界处。晶界滑移使得在 三叉晶界处发生较大的歧变，回复和再结晶首先在三叉晶界发生，并软化三叉 晶界，故晶界滑移变形能继续进行下去。 由动态回复或动态再结晶和修复机理的调节及控制是热变形时晶界滑移的 主要特点。如果裂缝生成和扩展的速度大于上述机理的调节修复的速度，那么 断裂就会发生。除温度外，应力状态、变形速度、晶粒尺寸等条件也会影响晶 界滑移变形量占金属变形总量的比例。在平常生产条件下，相对晶内滑移变形 量来比较，热变形时的晶界滑移变形量是很小的，但比在室温条件下的晶界滑 移变形量要大很多。如果减小应变速率、缩小晶粒尺寸，能使晶界的滑移量增 大一些，但在微细晶粒超塑性条件下，塑性变形主要取决于晶界滑移机理，而 且晶界滑移受扩散蠕变和位错蠕变调节的，并不是由动态回复或动态再结晶起 调节作用的。 3 、扩散性蠕变 金属在热变形过程中，除了晶内滑移和晶界滑移变形机理外，可能有另一 种变形机理会出现，那就是被称作扩散性蠕变机理。 按扩散途径的方式不同，扩散性蠕变可分为两种：一是晶界扩散，也称作 边界扩散；二是晶内扩散。扩散性蠕变可以直接促进塑性变形，也可以调节晶 界滑移。在低应力的作用下，扩散性蠕变也会缓慢地发生。在低于回复温度的 塑性变形过程中，扩散性蠕变机理的作用不明显；但在温度较高的塑性变形过 程中，扩散性蠕变就能起到极其重要的作用。 1 0 第2 章高强度硼钢板热冲压成形理论 2 2 2 动态回复和动态再结晶 金属热变形是指在温度高于再结晶温度时的变形。钢的流变应力在热塑性 变形过程中有两种变化趋势，一是加工硬化，二是组织软化。钢的组织软化时 有两种变化机制即动态回复和动态再结晶。钢的塑性变形主要由位错的运动来 体现的，位错密度随着变形的持续而增大；因为流变应力与位错密度成正比， 所以流变应力增大引起加工硬化。当变形量增大时，热变形过程中的动态回复 使得加工硬化逐渐小于线性增长。由于高密度位错所引起的能量大量聚集的存 在，使得热变形钢极不稳定，而位错的交滑移和攀移可以消除热变形钢的不稳 定状态。因此，一部分位错的消失和位错的重排是动态回复的实质。 就钢铁而言，热变形中的动态回复不明显，仅通过位错的交滑移和攀移降 低的位错密度小于继续变形产生的新增位错密度，变形程度越大，位错密度也 随之增大，当位错密度增大到某一临界值时，动态再结晶驱动力足够大了，就 会引起动态再结晶的发生。由于动态再结晶的产生和发展能够使位错减少，变 形钢的流变应力随之大大地减少。动态再结晶临界应变就是能够引起动态再结 晶的最低应变；一旦应变大于动态再结晶临界应变，动态再结晶就会发生，流 变应力将会达到某个最大值之后将会显著减小。在完成了动态再结晶，释放完 位错畸变能后，随着变形的进行，经历了再结晶后的晶粒又将发生新的变形， 随之产生了新的位错，加工硬化伴随整个热变形过程，动态再结晶过程仍在继 续进行。如果加工硬化和动态再结晶引起的软化达到平衡了，流变应力就会是 一恒定值。因此，加工硬化和软化将一直伴随整个热变形过程。 动态回复通常在拥有层错能比较高的金属中发生，当热变形后，将金属快 速冷却至室温，热加工后的晶粒呈现纤维状，同时由于动态回复的作用，晶粒 内出现了等轴亚晶粒。在变形过程中，亚晶粒多次被拆散和组合，变形温度和 变形速度决定了其尺寸。变形速度越低和变形温度越高，亚晶粒尺寸越大，亚 组织的位错密度也就越低。金属经过了动态回复的位错密度大于经历了静态回 复的冷变形后的密度。 热变形过程中存在着两种类型的热变形应力应变曲线，一是动态再结晶 型，二是动态回复型，如图2 1 所示。 第2 章高强度硼钢板热冲压成形理论 b l 图2 1两种类型的热变形应力应变曲线 以上两种类型的应力一应变曲线形状在极限应力前大部分基本相似，但在 大于极限应力之后，它们存在着很明显的差异，主要表现在以下几方面： ( 1 ) 在起始变形阶段，应力迅速增大达到某个最大值，由于加工硬化起主要 作用，故两种曲线呈现相同的形状。 ( 2 ) 在变形温度相同，提高变形速率，或者降低温度，变形速率保持不变的 条件下，极限应力应变相应提高，这说明热加工硬化状态进行到相对深的程度 了，此阶段两种曲线呈现相似性。对于动态再结晶型的钢而言，极限应力出现 前局部发生了动态再结晶，不过整个状态依然表现为热加工硬化状态。而就动 态回复型的钢而言，变形体中也出现了少量的动态回复，相对于动态回复型而 言，动态再结晶对钢的变形抗力的影响效果要明显的多，因此两者趋势相似， 不过表现出来的值有所不同。 ( 3 ) 在峰值应力阶段，两种曲线有着巨大的差异。 ( 4 ) 在稳定阶段，动态再结晶的应力应变曲线的主要标志是应9 j 4 , = f 峰值应 力。此阶段呈现稳态流变应力，应力随应变的增加变化很小或保持恒定。此时 动态再结晶机理起主要作用，晶粒细小且均匀，促使变形更易进行下去。动态 回复型曲线则出现了最大峰值应力保持一水平发展行为，应力随应变的增加有 很小的增加，处于一种相对稳定的阶段，主要是因为热加工硬化作用和动态回 复的软化作用使金属处于动态平衡状态，是两种机制相互作用的结果。 2 2 3 变形抗力及其影响因素 金属塑性成形是在外力作用下以塑性为基础而进行的。变形抗力是在塑性 加工过程中工具表面单位面积上所受的变形力的大小，它可以反映金属塑性变 1 2 第2 章高强度硼钢板热冲压成形理论 形的难易程度。塑性变形抗力的大小能直接影响设备能否安全运行，且是热加 工时能否发生充分塑性变形的重要影响因素。单位流动压力是压缩变形时作用 于工具表面的单位面积压力。通常用真实应力来衡量变形抗力的大小。在单向 拉伸( 或压缩) 试验时，试样在瞬间断面上所受到的应力，这应力就是真实应力或 称为流变应力。流变应力是衡量金属与合金塑性变形性能好坏的重要指标。金 属变形需要施加多大的载荷或所需消耗多少能量用流变应力来衡量。在单向应 力作用下，变形抗力就等于真实应力。材料的化学成分、组织结构、变形温度、 变形速度和变形程度是影响流变应力的主要因素。 1 、化学成分的影响 化学成分对变形抗力的影响是比较复杂的。因为不同种纯金属的原予间相 互作用的不同，变形抗力也就不相等。对于相同种类的金属，金属越纯，变形 抗力越低；对于不同种类的合金，不同的组织状态，变形抗力大小也不相等。 合金元素的原子和基体原子之间相互作用的性质不同；合金元素的原子在基体 中的分布情况不同以及合金元素的原子体积的不同，变形抗力大小也会有很大 的不同。合金元素原子能够使基体点阵发生畸变，这种点阵畸变越大，变形抗 力也会随之增大。合金中的杂质的含量对材料的变形抗力有很大的影响。合金 中的杂质越多，变形抗力就越大。不同种类的杂质对变形抗力的影响不同，有 些能够降低抗力，也有些杂质可以增大变形抗力。如果杂质元素能够变成较脆 的夹杂物，则变形抗力就会减小。如果杂质原子和基体组元相结合变成了固溶 体，变形抗力就会增大。若杂质元素在周期表中离基体元素越远，则变形抗力 越多。 2 、组织结构的影响 化学成分相同的钢，不同的组织结构，变形抗力和塑性都表现出了很大的 差异性。单相组织比多相组织塑性好，抗力低。因为各相有不同的性能，多相 组织的变形不均匀，而且其它相将基本相机械地分割，所以塑性明显下降，变 形抗力增大。虽然的细化晶粒可以增强金属的塑性，但变形抗力反而会增大。 在一恒定的体积中细晶粒的数目比粗晶粒的数日多的越多，能够滑移的晶粒数 量就越大，变形就可以均匀地分散到更多的晶粒内；晶粒越细小，晶界面表现 为曲折的现状，阻碍了微裂纹的传播。这些因素对于增强金属的塑性变形都有 促进作用的。由于晶粒越细，在单位体积内，晶粒的数量就越多，晶界也就越 多，故在滑移变形时，位错运动到晶界附近受到阻碍越大并且不断堆积起来， 1 3 第2 章高强度硼钢板热冲压成形理论 如果要使位错穿过晶界就需要更大的外力作用，此时塑性变形的抗力就增大了。 3 、变形温度的影响 当温度升高时，金属会发生回复和再结晶。回复能够减弱金属的加工硬化 作用，再结晶能使金属加工硬化得到完全消除。金属的塑性在这些作用下得到 了很大的提高，变形抗力明显下降。原子热运动随着温度的升高不断剧烈，原 子动能增大，存在于各原子之间的作用力减小，临界剪应力随之下降。温度越 高，不同滑移系的临界剪应力数值减小的速度有很大的差异，故在高温下新的 滑移系出现的可能性很大。滑移系的数量越多，变形金属的塑性就越好。当温 度升高时，原子的热振荡更加剧烈，处在格中的原子处于一种不稳定的状态之 中。而当外力作用晶体时，原子就会由某个平衡位置运动到另一个平衡位置。 温度越高，热塑性所发挥的作用就越明显。温度降低，热塑性的作用会下降， 直至温度小于材料的回复温度时，热塑性对金属材料变形所发挥的做用很小。 所以说材料变形时的温度大小会影响到金属与合金的塑性性能。 4 、变形速度的影响 变形速度对塑性的影响比较复杂。当变形速度不大时，需要让很多的位错 更快地运动，将使金属晶体的临界剪应力增大，变形抗力也随着增大；当变形 速度增大时，由于塑性变形没能在变形体内很均匀地扩展，故金属发生的是弹 性变形， 由虎克定律可知，应力大小与变形抗力大小随弹性变形量的增加而增大。由于 变形速度的增大，变形体来不及发生回复和再结晶，故金属的塑性下降，变形 抗力增大。在变形速度很大的条件下，变形体会发生热效应以及温度效应。 5 、变形程度的影响 不管是在室温还是在比较高的温度下，如果没有发生再结晶和回复，随着 变形的继续必然会发生加工硬化现象，变形抗力就会增大。当变形量小于3 0 时，变形抗力的增量就比较大，当变形程度再增大时，变形抗力的增量就比较 小了。当变形程度增加时，晶格畸变能也随之增大，就发生了再结晶和回复过 程了，在变形热效应的作用下，变形温度升高了。 1 4 第2 章高强度硼钢板热冲压成形理论 2 3 金属热冲压成形中的传热学理论 2 3 1 热力学第一定律 能量守恒定律是传热学的基本定律，具体内容可以表述为：在一个没有质 量进出的封闭系统内，其热力学平衡方程是： q 一形：a u + a e k + a e e ( 2 1 ) 其中：q 一热量，w 一外来做功，u 一系统内能，皈一系统动能，屿一 所具有的系统势能。 2 3 2 热传递方式 热量传递有三种基本方式：导热、对流和热辐射。 ( 1 ) 热传导 热传导是指两个物体之间或同一物体的不同部位由于温度梯度的存在而引 起的内能的交换。热传导可以用付里叶定律来描述： g ”：一七坚 ( 2 2 ) g = 一尼了一 ( ，2 z ) dx 式中：q ”一热流密度( 形m2 ) ，k _ 导热系数( 形m 。c ) ，负号“一表 示热量由高温位置流向低温位置的方向。 ( 2 ) 热对流 热对流可以描述为由于固体的表面与其周围接触的流体之间存在温差，造 成两者之间发生了热量的交换。热对流遵循牛顿冷却方程： q ”= h ( t s t 曰) ( 2 3 ) 式中：h - 是对流换热系数，t s 一是固体表面的温度，t b 一是周围流体的温 度。 ( 3 ) 热辐射 热辐射指物体以电磁能作为媒介，被周围物体所吸收并转化为热量的交换过 程。 经常同时将两个或两个以上物体之间的辐射进行考虑，它们之间的热量传 递净值可以通过斯蒂芬一兹曼方程来计算： q = 6 0 a l e 2 ( 互4 一巧) ( 2 4 ) 1 5 第2 章高强度硼钢板热冲压成形理论 式中：q _ 热流率，_ 辐射率( 俗称黑度) ，o 一斯蒂芬一波尔兹曼常数( 约为 5 6 7 10 - s 形m2 k4 ，a l 辐射面l 的面积。f l 广由辐射面1 到辐射面2 的 形状系数，t l 辐射面l 的绝对温度，t 2 辐射面2 的绝对温度。 2 4 屈服准则 屈服准则是材料处于复杂应力状态时产生塑性变形的判据，也称作塑性条 件，一般是用应力分量与材料屈服应力的函数关系来表示的。对于理想弹性材料 的物体发生弹性变形而言，应力与应变关系是完全成线性的，而且可以认为材 料从弹性变形是突然过渡到塑性变形的。对于理想塑性材料( 又称全塑性材料) 的物体发生塑性变形时不发生硬化现象的材料而言，此材料在进入塑性状态后， 应力不再变大，即可以连续地发现塑性变形。对于弹塑性材料而言，在探索材 料的塑性变形时，需要将在发生塑性变形前的弹性变形考虑进去的材料此处有 两种情况：一是对于理想弹塑性材料在塑性变形情况下，需要将发生塑性变形 前的弹性变形考虑进去；二是对于弹塑性硬化材料在塑性变形情况下，需要将 发生塑性变形前的弹性变形考虑进去，同时也需要考虑会发生加工硬化现象的 材料，此种材料在进入塑性状态之后，此时如果应力保持不变，则材料的变形 也就停止了。当应力不断增大的话，材料的塑性变形才能继续下去。对于受多 向应力作用以及存在一定的变形条件的材料质点而言，此时只有当材料质点的 各应力分量之间满足一定的关系条件下，材料质点才开始逐渐进入塑性状 态，就需要将各个方向的应力分量进行考虑。 此力学条件可表示为： f ( c r 玎) = c ( 2 5 ) 式中的常数c 与材料的性质有密切关系，但不受应力状态的影响。 对于各向异性材料而言，通常使用厚向异